java多线程并发之旅-29-Executor CompletableFuture

迷南。 2022-02-25 19:26 207阅读 0赞

# Future 的不足 #

## 性能 ##

虽然Future以及相关使用方法提供了异步执行任务的能力，但是对于结果的获取却是很不方便，只能通过阻塞或者轮询的方式得到任务的结果。

阻塞的方式显然和我们的异步编程的初衷相违背，轮询的方式又会耗费无谓的CPU资源，而且也不能及时地得到计算结果，为什么不能用观察者设计模式当计算结果完成及时通知监听者呢？

## 多个 Future 结果之间的依赖性 ##

Future接口可以构建异步应用，但依然有其局限性。它很难直接表述多个 Future 结果之间的依赖性。

实际开发中，我们经常需要达成以下目的：

*  将两个异步计算合并为一个——这两个异步计算之间相互独立，同时第二个又依赖于第一个的结果。
 *  等待 Future 集合中的所有任务都完成。
 *  仅等待 Future集合中最快结束的任务完成（有可能因为它们试图通过不同的方式计算同一个值），并返回它的结果。
 *  通过编程方式完成一个Future任务的执行（即以手工设定异步操作结果的方式）。
 *  应对 Future 的完成事件（即当 Future 的完成事件发生时会收到通知，并能使用 Future 计算的结果进行下一步的操作，不只是简单地阻塞等待操作的结果）  
    新的CompletableFuture类将使得这些成为可能

# 其他语言的处理 #

## Node.js ##

很多语言，比如Node.js，采用回调的方式实现异步编程。Java的一些框架，比如Netty，自己扩展了Java的 Future接口，提供了addListener等多个扩展方法：

ChannelFuture future = bootstrap.connect(new InetSocketAddress(host, port));
    future.addListener(new ChannelFutureListener()
    { 
            @Override
            public void operationComplete(ChannelFuture future) throws Exception
            { 
                if (future.isSuccess()) { 
                    // SUCCESS
                }
                else { 
                    // FAILURE
                }
            }
    });

## Guava ##

Google guava也提供了通用的扩展Future:ListenableFuture、SettableFuture 以及辅助类Futures等,方便异步编程。

final String name = ...;
 inFlight.add(name);
 ListenableFuture<Result> future = service.query(name);
 future.addListener(new Runnable() { 
 public void run() { 
 processedCount.incrementAndGet();
 inFlight.remove(name);
 lastProcessed.set(name);
 logger.info("Done with {0}", name);
 }
 }, executor);

作为正统的Java类库，是不是应该做点什么，加强一下自身库的功能呢？

## jdk8 以后的多线程处理 ##

集合进行并行计算有两种方式：并行流和CompletableFutures。

### 并行流 ###

计算密集型操作，并且没有I/O，推荐使用Stream接口。因为实现简单，同时效率也可能是最高的（如果所有的线程都是计算密集型的，那就没有必要创建比处理器核数更多的线程）；

### CompletableFutures ###

如果并行的工作单元还涉及等待I/O的操作（包括网络连接等待），那么使用CompletableFuture灵活性更好。这种情况下处理流的流水线中如果发生I/O等待，流的延迟特性会让我们很难判断到底什么时候触发了等待。

## CompletableFuture 类的引入 ##

在Java 8中, 新增加了一个包含50个方法左右的类: CompletableFuture，提供了非常强大的Future的扩展功能，可以帮助我们简化异步编程的复杂性，提供了函数式编程的能力，可以通过回调的方式处理计算结果，并且提供了转换和组合CompletableFuture的方法。

下面我们就看一看它的功能吧。

# CompletableFuture #

JDK1.8才新加入的一个实现类CompletableFuture，实现了 Future, CompletionStage 两个接口。

当一个Future可能需要显示地完成时，使用CompletionStage接口去支持完成时触发的函数和操作。

当两个及以上线程同时尝试完成、异常完成、取消一个CompletableFuture时，只有一个能成功。

## 实现了 CompletionStage 接口 ##

CompletableFuture实现了CompletionStage接口的如下策略：

1.  为了完成当前的CompletableFuture接口或者其他完成方法的回调函数的线程，提供了非异步的完成操作。
2.  没有显式入参Executor的所有async方法都使用 ForkJoinPool.commonPool() 为了简化监视、调试和跟踪，所有生成的异步任务都是标记接口AsynchronousCompletionTask的实例。
3.  所有的CompletionStage方法都是独立于其他共有方法实现的，因此一个方法的行为不会受到子类中其他方法的覆盖。

## 实现了 Futurre 接口 ##

CompletableFuture实现了Futurre接口的如下策略：

1.  CompletableFuture无法直接控制完成，所以cancel操作被视为是另一种异常完成形式。方法isCompletedExceptionally可以用来确定一个CompletableFuture是否以任何异常的方式完成。
2.  以一个CompletionException为例，方法get()和get(long,TimeUnit)抛出一个ExecutionException，对应CompletionException。为了在大多数上下文中简化用法，这个类还定义了方法join()和getNow，而不是直接在这些情况中直接抛出CompletionException。

## 异步执行任务静态方法 ##

CompletableFuture中4个异步执行任务静态方法：

### 接口定义 ###

public static CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier) { 
 return asyncSupplyStage(asyncPool, supplier);
 }
 
 public static CompletableFuture supplyAsync(Supplier supplier,Executor executor) { 
 return asyncSupplyStage(screenExecutor(executor), supplier);
 }
 
 public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable) { 
 return asyncRunStage(asyncPool, runnable);
 }
 
 public static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor) { 
 return asyncRunStage(screenExecutor(executor), runnable);
 }

其中supplyAsync用于有返回值的任务，runAsync则用于没有返回值的任务。

Executor参数可以手动指定线程池，否则默认ForkJoinPool.commonPool()系统级公共线程池，

注意：这些线程都是Daemon线程，主线程结束Daemon线程不结束，只有JVM关闭时，生命周期终止。

# 异常处理 #

CompletableFuture实现了Future接口，因此你可以像Future那样使用它。

## 不使用线程池的方式 ##

其次，CompletableFuture并非一定要交给线程池执行才能实现异步，你可以像下面这样实现异步运行：

@Test
 public void test1() throws ExecutionException, InterruptedException { 
 CompletableFuture<String> completableFuture = new CompletableFuture<>();
 new Thread(() -> { 
 // 模拟执行耗时任务
 System.out.println("task doing...");
 try { 
 Thread.sleep(3000);
 } catch (InterruptedException e) { 
 e.printStackTrace();
 }
 // 告诉completableFuture任务已经完成
 completableFuture.complete("ok");
 }).start();
 // 获取任务结果，如果没有完成会一直阻塞等待
 String result = completableFuture.get();
 System.out.println("计算结果:" + result);
 }

## 发生异常的情况 ##

如果没有意外，上面发的代码工作得很正常。但是，如果任务执行过程中产生了异常会怎样呢？

非常不幸，这种情况下你会得到一个相当糟糕的结果：异常会被限制在执行任务的线程的范围内，最终会杀死该线程，而这会导致等待get方法返回结果的线程永久地被阻塞。

客户端可以使用重载版本的 get() 方法，它使用一个超时参数来避免发生这样的情况。

这是一种值得推荐的做法，你应该**尽量在你的代码中添加超时判断的逻辑，避免发生类似的问题**。

使用这种方法至少能防止程序永久地等待下去，超时发生时，程序会得到通知发生了TimeoutException。

不过，也因为如此，你不能确定执行任务的线程内到底发生了什么问题。

## 异常的处理 ##

为了能获取任务线程内发生的异常，你需要使用 CompletableFuture.completeExceptionally() 方法将导致CompletableFuture内发生问题的异常抛出。

这样，当执行任务发生异常时，调用get()方法的线程将会收到一个 ExecutionException异常，该异常接收了一个包含失败原因的Exception 参数。

try { 
        Thread.sleep(3000);
        // 任务的处理
    } catch (Exception e) { 
        // 告诉completableFuture任务发生异常了
        completableFuture.completeExceptionally(e);
    }

# 多任务组合 #

JDK CompletableFuture 自带多任务组合方法allOf和anyOf

allOf是等待所有任务完成，构造后CompletableFuture完成

anyOf是只要有一个任务完成，构造后CompletableFuture就完成

## 使用例子 ##

public class CompletableFutureDemo { 
 
 public static void main(String[] args) { 
 Long start = System.currentTimeMillis();
 // 结果集
 List<String> list = new ArrayList<>();
 
 ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(10);
 
 List<Integer> taskList = Arrays.asList(2, 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10);
 // 全流式处理转换成CompletableFuture[]+组装成一个无返回值CompletableFuture，join等待执行完毕。返回结果whenComplete获取
 CompletableFuture[] cfs = taskList.stream()
 .map(integer -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> calc(integer), executorService)
 .thenApply(h->Integer.toString(h))
 .whenComplete((s, e) -> { 
 System.out.println("任务"+s+"完成!result="+s+"，异常 e="+e+","+new Date());
 list.add(s);
 })
 ).toArray(CompletableFuture[]::new);
 // 封装后无返回值，必须自己whenComplete()获取
 CompletableFuture.allOf(cfs).join();
 System.out.println("list="+list+",耗时="+(System.currentTimeMillis()-start));
 }
 
 public static Integer calc(Integer i) { 
 try { 
 if (i == 1) { 
 Thread.sleep(3000);//任务1耗时3秒
 } else if (i == 5) { 
 Thread.sleep(5000);//任务5耗时5秒
 } else { 
 Thread.sleep(1000);//其它任务耗时1秒
 }
 System.out.println("task线程：" + Thread.currentThread().getName()
 + "任务i=" + i + ",完成！+" + new Date());
 } catch (InterruptedException e) { 
 e.printStackTrace();
 }
 return i;
 }
 }

# CompletableFuture 源码 #

TODO…

# 参考资料 #

《java 并发编程实战》

[Java CompletableFuture 详解][Java CompletableFuture]

[Java 8 强大的函数式异步编程辅助类][Java 8]

[Java8新特性之：CompletableFuture][Java8_CompletableFuture]

[CompletableFuture 详解][CompletableFuture]

[http://developer.51cto.com/art/201712/561631.htm][http_developer.51cto.com_art_201712_561631.htm]

[https://www.cnblogs.com/cjsblog/p/9267163.html][https_www.cnblogs.com_cjsblog_p_9267163.html]

[https://blog.51cto.com/turnsole/2120848][Java8_CompletableFuture]

[Java8新特性整理之CompletableFuture：组合式、异步编程（七）][Java8_CompletableFuture 1]

# 目录 #

[java多线程并发之旅-01-并发概览][java_-01-]

[Java CompletableFuture]: https://www.bbsmax.com/A/ZOJPj02ydv/
[Java 8]: https://colobu.com/2016/02/29/Java-CompletableFuture/
[Java8_CompletableFuture]: https://blog.51cto.com/turnsole/2120848
[CompletableFuture]: https://www.jianshu.com/p/6f3ee90ab7d3
[http_developer.51cto.com_art_201712_561631.htm]: http://developer.51cto.com/art/201712/561631.htm
[https_www.cnblogs.com_cjsblog_p_9267163.html]: https://www.cnblogs.com/cjsblog/p/9267163.html
[Java8_CompletableFuture 1]: https://blog.csdn.net/u011726984/article/details/79320004
[java_-01-]: https://blog.csdn.net/ryo1060732496/article/details/88880351